热交换器原理与设计第1章 热交换器基本原理
热交换器工作原理
热交换器工作原理热交换器是一种常用的热传递设备，广泛应用于化工、电力、制药等领域。
它通过将两种流体进行热交换，实现能量的传递和利用。
热交换器工作原理的理解对于热交换器的设计、运行和维护具有重要意义。
首先，我们来看热交换器的基本结构。
热交换器通常由壳体、管束、管板、传热管等部分组成。
其中，壳体是一个密封的容器，内部装有传热管束，流体在传热管内外侧流动，实现热量的传递。
管板用于支撑和固定传热管束，同时也起到了导流作用。
传热管是热交换的主要部件，其结构和布置方式会影响热交换器的传热效果。
热交换器的工作原理可以简单概括为热量的传递和流体的流动。
当两种流体在热交换器内部流动时，它们在传热管内外侧进行热交换，从而实现能量的传递。
其中，热量的传递主要通过对流和传导两种方式进行。
在热交换器内部，热量会从温度较高的流体传递给温度较低的流体，直到两种流体达到热平衡状态。
为了实现高效的热交换，热交换器的设计和运行需要考虑多种因素。
首先是流体的流动方式和速度，合理的流体流动可以提高热交换效率。
其次是传热管束的布置和结构，不同的传热管束布置方式会对热交换效果产生影响。
此外，流体的物性参数、传热管材质和传热管的清洁程度等因素也会对热交换器的工作产生影响。
在实际的工程应用中，热交换器通常会遇到一些常见问题，如传热效果下降、管束堵塞、泄漏等。
针对这些问题，我们需要进行定期的检查和维护，保证热交换器的正常运行。
此外，合理的操作和维护也能够延长热交换器的使用寿命，减少能源消耗和维修成本。
总的来说，热交换器是一种重要的热传递设备，其工作原理涉及流体力学、传热学等多个领域。
通过对热交换器工作原理的深入理解，我们能够更好地设计和运行热交换器，提高热交换效率，降低能源消耗，实现经济和环保的双重目标。
第1章 热交换器热计算的基本原理
§1.2 平均温差
dt1dt2 M 1 1c1M 1 2c2 d d
dkdAxt
d tx d k d A x t
dt t
kdAx
tx t
dt t
k0AxdAx
lntx t
kAx
tx te x p ( k A x ) te - k A x 当地温差随换热
tm 1 A 0 A tx d A x 1 A 0 A te x p (k A x )d A x面积呈指数变化
流体温度分布
§1.2 平均温差
定义和分类
QKF tm
定义 指整个热交换器各处温差的平均值。用 tm 表示。
分类
算术平均温差 对数平均温差 积分平均温差
1 tm2(tma xtmi)n
tmln tm tam xax/tm tm inin
流体比热变化时一种分 段计算平均温差的方法
§1.2 平均温差
§1.1 热交换器的热计算基本方程式
热计算的类型： 设计性热计算：设计一个新的换热器 目的：确定换热器传热面积
校核性热计算：校核设计出的换热器是否达标 目的：确定流体出口温度，考察非设计工况下性能
得到传热量、流体进出口 温度、传热系数、传热面 积及其相互之间关联性。
传热方程 热平衡方程
§1.1 热交换器的热计算基本方程式
t
h dth t h
tc dtc t c
t c
§1.2 平均温差
简单顺流换热器的对数平均温差
已知冷热流体的进出口温度，在图中换 热器传热面任一位置 x 处，取微元换热 面dAx，考虑其换热量
微元面dAx内，两种流体换热量为：
dkdAxt
对于热流体和冷流体
d M 1 c 1 d t1 d t 1 d /M 1 c 1 d M 2 c 2 d t2 d t2 d /M 2 c 2
热交换器原理与设计
绪论1.2.热交换器的分类：1）按照材料来分：金属的，陶瓷的，塑料的，是摸的，玻璃的等等2）按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。
3）按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式，逆流式，错流式，混流式4）按照传送热量的方法来分：间壁式，混合式，蓄热式恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。
过时，把热量储蓄于壁内，壁的温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。
第一章1.Mc1℃是所需的热量，用W表示。
两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比；即热容量越大，流体温度变化越小。
2.W—对应单位温度变化产生的流动流体的能量存储速率。
4.顺流和逆流情况下平均温差的区别：在顺流时，不论W1、W2值的大小如何，总有μ＞０，因而在热流体从进口到出口的方向上，两流体间的温差△t总是不断降低；而对于逆流，沿着热流体进口到出口方向上，当W1＜W2时，μ＞０，△t不断降低，当W1＞W2时，μ＜０，△t不断升高。
5.P（定义式P12）物理意义：流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升比，所以只能小于1。
6.R—冷流体的热容量与热流体的热容量之比。
（定义式P12）7.从φ值的大小可看出某种流动方式在给定工况下接近逆流的程度。
除非处于降低壁温的目的，否则最好使φ＞0.9，若φ＜0.75就认为不合理。
（P22 例1.1）8.所谓Qmax是指一个面积为无穷大且其流体流量和进口温度与实际热交换器的流量和进口温度相同的逆流型热交换器所能达到的传热量的极限值。
9.实际传热量Q与最大可能传热量Qmax=Q/Qmax。
意义：以温度形式反映出热、冷流体可用热量被利用的程度。
10.根据ε的定义，它是一个无因次参数，一般小于1。
其实用性在与：若已知ε及t1′、t2′时，就可很容易地由Q=εW min(t1′-t2′)确定热交换器的实际传热量。
换热器及换热原理
图示
持热管简介
必要性及设计原理
• 正确的热处理要求牛乳在杀菌温度下保持一定 的时间，这可以通过外设保持管来实现。 • 若已知流量和保持管的内管径，就可以计算出 符合保持时间的合适的管长。
设计原理
• 由于保持管里流速分布不均匀，某些牛乳 粒子的流速要比平均值大。为了确保流速 最快的粒子也能充分地巴氏杀菌，必须采 用一效率系数来校正。这个系数取决于保 持管的设计，通常取0.8～0.9 之间。
工作示意图
补充
焊接式的板式换热器
• • • • 多用于水汽换热，具有很高的集成度 高换热系数，体积小，薄型材料 不用密封圈，铜\镍或钎焊接不锈钢成紧凑直 角型的包状 易于安装，高换热效率，低成本 抗腐蚀性强，抗震，耐高温，高压
图示
总结
板式热交换器是一种新型、高效的节能热 交换设备，它具有换热效率高，结构紧凑， 重量轻，适应性强，热损失少，可拆卸， 可清洗，装拆和维修方便等特点，主要应 用于液液、液汽热交换，特别适用于各种 工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝 及食品消毒等方面.
公式解释
• • • • • p = 产品的密度 Cp = 产品的比热 △ t = 产品的温度变化 △ tm = 对数平均温差(LMTD) K = 总传热系数
单项分析
• 流量V，是由乳品厂的设计能力决定的。 • 产品密度p 由产品决定。比热cp也由产品 决定，比热值告诉我们将某种物质温度升 高1℃，需提供多少热量。
基础概念
层流：当流体以较小的流速流经管道时，流体成 平稳状态通过全管，流体的质点作平行运动，与 旁侧的流体并无宏观的混合，此流动形态称之为 层流。 湍流：当流体以较高流速流经管道时，流体成波 动状态，并形成旋涡向四周散开，与旁侧的流体 相混强，使流 体以对流方式传热，因而随着湍动程度的增 强传热的效果会更好，而层流使流体主要以 传导的方式进行传热。显而易见湍流状态下 的传热效果要比层流状态下的传热效果好。
热交换器原理
热交换器原理概述热交换器 (Heat Exchanger) 是一种设备，用于传递热量从一个流体到另一个流体而不使它们混合在一起。
热交换器在许多工业和商业应用中被广泛使用，包括暖气系统、空调系统、化工加工以及能源生产等领域。
它旨在提高能量利用效率，减少能源浪费，以及保护环境。
原理热交换器的工作原理基于热量传递和流体流动的原理。
它通常由两个流体流经热交换器中的两个热交换介质，通过介质之间的热传导实现热量的传递。
1. 流体流动热交换器中的两个流体，通常被称为工作流体和传热介质流体，通过各自的通道与换热管道相连接。
工作流体可以是液体或气体，在流经热交换器的过程中，它会传递热量给传热介质流体。
2. 传热介质流体传热介质流体可以是热水、蒸汽、液态氨等，它在热交换器中流动，在与工作流体接触的地方接收或释放热量。
传热介质流体的选择取决于具体的应用需求和技术要求。
3. 传热管道热交换器中的传热管道起到连接工作流体和传热介质流体的作用。
传热管道可以是平行管道、螺旋管道、板式管道等形式，它们被设计成高效的结构，以最大化热量传递和流体流动。
4. 传热表面热交换器中的传热表面是工作流体和传热介质流体之间进行热传导的区域。
传热表面的设计和材料选择对热交换器的性能和效率有重要影响。
常见的传热表面材料包括铜、铝、不锈钢等。
工作过程热交换器的工作过程可以归纳为以下几个步骤：1. 流体进入工作流体和传热介质流体分别从热交换器的进口进入，它们分别流经各自的通道和传热管道。
2. 热传导工作流体和传热介质流体在传热表面进行接触，通过热传导实现热量的传递。
传热介质流体吸收工作流体的热量，使其温度升高，而工作流体则从传热介质流体吸收或失去热量，使其温度变化。
3. 流体流动工作流体和传热介质流体继续在热交换器中流动，以保持热传导和热量传递的持续进行。
流体流动通过增加热交换的表面积和提高流体流速来增加传热效率。
4. 热量输出工作流体和传热介质流体分别从热交换器的出口流出，它们的温度和热量分布已经发生变化。
热交换器原理与设计—第1章_热交换器热计算的基本原理_(1)
两种流体中只有一种横向混合的错流式热交换器，其 值为：
能源与动力工程教研室
对于某种特定的流动形式， 是辅助参数P、R的函 数 f ( P, R) 该函数形式因流动方式而异。
对于只有一种流体有横向混合的错流式热交换器， 可将辅助参数的取法归纳为：
t m ,算术
t max t min 2
使用条件：如果流体的温度沿传热面变化不大， 范围在
t max 2 内可以使用算数平均温差。 t min
能源与动力工程教研室
算术平均与对数平均温差
t m ,算术
t max t min 2
t m ,对数
t max t min t max ln t min
R 1 t t 2 2 1 P ln 1 PR
的函数
t1m,c
能源与动力工程教研室
为了简化 的计算，引入两辅助参数：
t 2 t2 p t2 t1
t1 t1 R t 2 t2
冷流体的加热度 两种流体的进口温差
能源与动力工程教研室
1.2 平均温差
1.2.2 顺流和逆流情况下的平均温差
简单顺流时的对数平均温差 假设：
(1)冷热流体的质量流量qm2、qm1 以及比热容c2, c1是常数； (2)传热系数是常数；
(3)换热器无散热损失； (4)换热面沿流动方向的导热量 可以忽略不计。 下标1、2分别代表热冷流体。 上标1撇和2撇分别代表进出口
能源与动力工程教研室
在假设的基础上，并已知冷热流体的 进出口温度，现在来看图中微元换热 面dA一段的传热。温差为：
热交换器工作原理热交换器工作
热交换器工作原理热交换器工作原理一、热交换器的概念和分类热交换器是一种用于传递热量的设备，它通过将两种不同介质之间的热量传递来实现加热或冷却的目的。
根据其结构和工作原理，热交换器可以分为管壳式、板式、螺旋式、卷管式等多种类型。
二、管壳式热交换器的工作原理管壳式热交换器是最常见的一种类型，它由一个外壳和一个内置在外壳内部的管束组成。
被加热或冷却介质通过管束中流过，而另一种介质则在外部流过。
这两种介质之间通过管子进行传导，从而实现了传递热量的目的。
三、板式热交换器的工作原理板式热交换器是由许多平行排列并夹在两个端板之间的金属板组成。
被加热或冷却介质分别在相邻板之间流过，而另一种介质则在相邻板之间流过。
这些金属板上有许多小孔，使得两种介质可以互相接触并进行传导。
四、螺旋式热交换器的工作原理螺旋式热交换器是由两个同心的螺旋形金属管组成。
被加热或冷却介质在内管中流过，而另一种介质则在外管中流过。
这两种介质之间通过金属管壁进行传导，从而实现了传递热量的目的。
五、卷管式热交换器的工作原理卷管式热交换器是由一个或多个螺旋形金属管组成的。
被加热或冷却介质在内部流过，而另一种介质则在外部流过。
这两种介质之间通过金属管壁进行传导，从而实现了传递热量的目的。
六、热交换器的应用范围由于其高效节能、安全可靠等特点，热交换器广泛应用于化学工程、冶金工业、造纸工业、环保工程等领域。
同时，在船舶、汽车等领域也有着重要应用。
七、总结总体来说，无论是哪一种类型的热交换器，其基本原理都是通过将两种不同介质之间的热量传递来实现加热或冷却的目的。
在实际应用中，我们需要根据不同的工作条件和要求选择合适的热交换器类型，从而达到最佳的效果。
热交换器的原理
热交换器的原理
热交换器是一种用于热量传递的设备，其原理基于热量的传导和对流。
热交换器通常由一对互相交叉的管道组成，其中一个管道用于输送热源（如热水或蒸汽），另一个管道用于输送冷却介质（如冷水或空气）。
这两个管道之间通过金属板、管子或片状材料等热导体连接在一起。
在工作过程中，热源通过一个管道进入热交换器，然后流过热导体，热量开始从热源传导到热导体上。
同时，冷却介质通过另一个管道进入热交换器，并流过热导体。
由于热导体的存在，导热板和冷却介质之间会形成一个热传导的接触面，使热量通过导热板从热源一侧传递到冷却介质一侧。
此外，通过流体的对流效应，热源和冷却介质之间的热量交换会更加高效。
当热源传导的热量到达热导体表面时，热量会通过冷却介质的对流而迅速散发出去。
反之，冷却介质也会通过对流将其带走的热量传递给热源一侧。
热交换器的设计可以根据需要进行调整，以确保达到预期的热量传递效果。
例如，热交换器的导热板可以增加表面积，以增加热量的交换量。
此外，通过增加管道的长度或使用多道管道，可以增加热导体的热传导面积，提高热交换器的传热效率。
总的来说，热交换器利用热传导和对流效应，将热源和冷却介质的热量通过热导体相互传递，实现了热能的高效利用。
第一章+热交换器热计算的基本原理
t t tm t ln t
对数平均温差 （LMTD） 如果，
tmax 2 tmin
tmax tmin tlm tmax ln tmin
可用算术平均温差代替对数平均温差，误差在+4％以内。 算术平均温差
1 tm tmax tmin 2
• • •
顺流和逆流的比较
• 在同样的传热单元数时，逆流的ε总是大于顺流，且随NTU的 增大而增大；顺流，ε随NTU增大而趋于定值，ε达到一定值 后，NTU的增大对ε没有贡献。 • 在流体进、出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺 流则最小，其他的流动方式介于顺流和逆流之间。逆流时所需 传热面最小或传热量最多。 • 逆流时，冷流体的出口温度t2″可高于热流体的出口温度t1″， 而顺流时，t2″总是低于t1″。所以，逆流时可以有较大的温度 变化δt，可使流体消耗减小。但是片面追求高的温度变化会使 得换热器两端的温差降低，平均温差降低，换热面积增加。 • 从热工角度看，逆流比顺流有利，但流体的最高温度发生在换 热器一端，一端壁温高。而且，逆流时传热面在整个长度方向 上温度差别大，壁面温度不均匀。
其中
KFx
t t e KF
+ 顺流 - 逆流
1 1 W1 W2
W1 W2
沿 热 流 体 方 向
顺流： W1 W2 逆流： W1 W2
W1 W2
0
两流体间温差总是不断减小 两流体间温差不断减小 两流体间温差不断增大
0 0
顺流和逆流的平均温差：
Qi 故，总传热面： F i 1 K i ti
n
tm int
Q F K tm
Q n Qi t i 1 i
第1章_热交换器基本原理【《热交换器原理与设计》课件】
逆流
1.2 平均温差
对顺、逆流的传热温差分析，作如下假设：
1. 冷热流体的质量流量和比热保持定值； 2. 传热系数是常数； 3. 热交换器没有热损失； 4. 沿流动方向的导热量可以忽略不计； 5. 同一种流体从进口到出口，不能既有相变又
有单相对流换热。
要计算整个换热的平均温差，首先需要知道 温差随换热面的变化，即 Δtx= f(Fx)，然后再沿 整个换热面积进行平均。
过冷
t1″ t2′
t1′ t2″
放热
过热 沸腾
t1′
部分冷凝
t1″
吸热
t2″
吸热
t1″ t2′
t2′
g ：一种流体有相变
h：可凝蒸气和非凝结性 气体混合物的冷凝
1.2.2 顺流、逆流下的平均温差
以顺流为例：已知冷热流体的进出口温度， 针对微元换热面dF一段的传热，温差为：
Δt=t1 – t2
→
dΔt=dt1 – dt2
Fx dΔt μk dF 0 Δt
dΔt μkdF Δt
Δtx ln μkFx Δt
Δtx
Δt
Δtx Δt e
μkFx
Δtx Δt e
Δt Δt e
"
μkFx
当 Fx = F 时，Δtx =Δt"
μkF
1 1 μ W1 W2
' 2
热容量：
W = M· C
(W/℃)
Q = W1 · Δt1 =W2 · Δt2
W1 Δt2 W2 Δt1
平行流：顺流和逆流
Hot fluid Cold fluid
Hot fluid Cold fluid
换热器的设计1-基本原理
Dept. of Thermal Power Engineering － NCEPU
主讲：魏高升
混合式（直接接触式） ：换热器内冷、热流体直 接接触、互相混合来实现热量交换。
典型应用：
电厂中的水冷塔
海勒式间接空冷凝汽器
Dept. of Thermal Power Engineering － NCEPU
Dept. of Thermal Power Engineering － NCEPU
主讲：魏高升
2.1 换热器的传热计算的基本参数
一、基本参数和方程
流体1的放热热流量
qm1c1 t1' t1" W1 t1' 9; " ' " qm 2c2 t2 t2 W2 t2 t2
Dept. of Thermal Power Engineering － NCEPU
主讲：魏高升
几种常见扩展表面的肋片效率：
实际散热量 f 假想整个肋表面的温度处于肋根温度下的散热量
•对于等截面直肋： ＝ tanh(mH )
0
m
mH
hP 2h Ac
肋片效率的影响因素：
f
热管式换热器具有较高的传热性能，但热管的制 造工艺较复杂，热管的密封性、寿命问题需重点考虑。
Dept. of Thermal Power Engineering － NCEPU
主讲：魏高升
间壁式换热器中冷、热流体的相对流动方向
在冷、热流体进口温度相同、流量相同、换热面 面积相同的情况下，流动型式影响冷、热流体的出口 温度、换热温差、换热量以及换热器内的温度分布。
顺排（矩形肋片）：
热交换器原理与设计
绪论1.2.热交换器的分类：1）按照材料来分：金属的，陶瓷的，塑料的，是摸的，玻璃的等等2）按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。
3）按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式，逆流式，错流式，混流式4）按照传送热量的方法来分：间壁式，混合式，蓄热式恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。
过时，把热量储蓄于壁内，壁的温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。
第一章1.Mc1℃是所需的热量，用W表示。
两种流体在热交换器内的温度变化与他们的热容量成反比；即热容量越大，流体温度变化越小。
2.W—对应单位温度变化产生的流动流体的能量存储速率。
4.顺流和逆流情况下平均温差的区别：在顺流时，不论W1、W2值的大小如何，总有μ＞０，因而在热流体从进口到出口的方向上，两流体间的温差△t总是不断降低；而对于逆流，沿着热流体进口到出口方向上，当W1＜W2时，μ＞０，△t不断降低，当W1＞W2时，μ＜０，△t不断升高。
5.P（定义式P12）物理意义：流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升比，所以只能小于1。
6.R—冷流体的热容量与热流体的热容量之比。
（定义式P12）7.从φ值的大小可看出某种流动方式在给定工况下接近逆流的程度。
除非处于降低壁温的目的，否则最好使φ＞0.9，若φ＜0.75就认为不合理。
（P22 例1.1）8.所谓Qmax是指一个面积为无穷大且其流体流量和进口温度与实际热交换器的流量和进口温度相同的逆流型热交换器所能达到的传热量的极限值。
9.实际传热量Q与最大可能传热量Qmaxε表示，即ε=Q/Qmax。
意义：以温度形式反映出热、冷流体可用热量被利用的程度。
10.根据ε的定义，它是一个无因次参数，一般小于1。
其实用性在与：若已知ε及t1′、t2′时，就可很容易地由Q=εW min(t1′-t2′)确定热交换器的实际传热量。
热质交换原理与设备完整版 修订版
JH JD
cf 2
2 可以把对流传热中有关的计算式用于对流传质， 只要 St pr 3 Stm Sc 3 ○
2
2
将对流 传热 计算式 中的 有关 物理参 数及 准则 数用于 对流 传质 中相应 的代 换即 可，如
3 同样可以用类比关系由传热系数 h 计算传质系 t↔c,a↔D, λ ↔D,pr↔Sc,Nu↔Sh,St↔ Stm ○
2 干燥循环的过程： ○ 干燥剂的吸湿和放湿是由干燥剂表面的蒸汽压与环境空气的蒸汽压差造 成的， 当前者较低时， 干燥剂吸湿， 反之放湿， 两者相等时达到平衡， 即既不吸湿也不放湿；
完整的干燥循环由吸附过程，脱附过程和冷却过程构成 3 影响吸收效果的因素：A 除湿剂的结构 B 除湿剂的选择 ○ 第六章
4. 喷淋室的热交换效率系数： 1 （第一热交换效率或全热交换效率） 1 1
ts 2 tw 2 热湿 ts1 tw1
交换越不完善，1 越小（ t s1 、 t s 2 空气始终态的湿球温度， t w1 、t w 2 水的始终态的湿球温度） 喷淋室的接触系数 2 （第二热交换效率或通用热交换效率） 2 1 变化完善程度。 5. 喷淋式计算的主要原则： 该喷淋室能达到的1 应等于空气处理过程所需要的1 ， 该喷淋室 能达到的 2 应等于空气处理过程需要的 2 ，该喷淋室喷出的水能吸收（或放出）的热量应 等于空气失去（或得到）的热量。
数 hm 3、对流传质过程的准则数：施密特准则数： Sc
v ，运动黏度与物体扩散系数之比；表 Di
示物性对对流传质的影响，速度与浓度边界层的相对宣乌特数 Sh
hml ；斯坦顿数： Di
St
a hm ；刘伊斯准则： Le , 表示温度分布和浓度分布关系的相互关系，体现传热和传 D u
热交换器原理与设计第四版课程设计
热交换器原理与设计第四版课程设计一、课程概述本课程是热交换器原理与设计的第四版课程设计，旨在让学生深入了解热交换器的工作原理及设计方法，培养学生的实践能力和创新思维。
本课程主要包括以下几个方面的内容：1.热交换器的基本原理和分类；2.热传导和流体力学基础；3.热交换器的设计计算方法；4.热交换器的模拟与优化；5.热交换器的材料选择和制造工艺。
通过本门课程的学习，学生将掌握热交换器的工作原理和设计方法，能够设计和优化不同类型的热交换器，并且能够熟练掌握热交换器的制造工艺。
二、课程教学大纲1. 热交换器的基本原理和分类1.1 热交换器的概述1.2 热交换器的分类1.3 热交换器的工作原理1.4 热交换器的性能参数2. 热传导和流体力学基础2.1 热传导基础2.2 流体力学基础2.3 热交换器的传热分析3. 热交换器的设计计算方法3.1 热交换器的换热面积计算3.2 热交换器的传热系数计算3.3 热交换器的压降计算4. 热交换器的模拟与优化4.1 热交换器的模拟方法4.2 热交换器的优化设计4.3 热交换器的性能评估5. 热交换器的材料选择和制造工艺5.1 热交换器材料的选择5.2 热交换器的制造工艺5.3 热交换器的维护和保养三、课程设计要求本次课程设计要求学生根据所学知识，设计一种新型的热交换器，并进行模拟和优化。
要求如下：1.设计一种结构简单、性能优良的新型热交换器；2.进行热传导和流体力学分析，并给出计算结果；3.进行热交换器的模拟，并对模拟数据进行评估；4.对设计结果进行优化，并给出优化方案；5.撰写设计报告，详细介绍热交换器的设计过程和结果。
四、参考资料1.热传导与传热学，裴乃正，高等教育出版社，2002年；2.热交换原理与工艺，吕光彪，清华大学出版社，2008年；3.热力学基础，黄思国，高等教育出版社，2010年；4.热交换过程强化，魏都督，清华大学出版社，2014年。
以上参考资料仅供参考，学生可以自行查找相关资料，并按照教师要求撰写设计报告。
全热交换器原理
全热交换器原理概述全热交换器是一种常用的热能转换设备，用于在两个流体之间进行热量交换。
它能够有效地进行能量的传递和温度的调节，广泛应用于工业生产和生活中。
本文将深入探讨全热交换器的原理，以及其在能量转换和热力学方面的应用。
热交换器的基本原理热交换器是一种设备，通过将两个流体进行热量交换，以实现能量的传递和温度的调节。
其中，全热交换器是一种将两个流体完全隔离的热交换器，使两个流体不直接接触，避免了二者混合污染的可能性。
全热交换器的结构全热交换器主要由两个独立的流体管道组成，每个管道内设有一系列的板式热交换器，用于增加热交换的表面积。
两个管道通过一个壳体连接在一起，壳体内部有一个分隔腔，用于隔离两个流体，使其不直接接触。
全热交换器的工作原理全热交换器中的两个流体分别流过不同的管道，在分隔腔的作用下，通过板式热交换器进行热量交换。
热量的传递主要通过传导和对流两种方式进行。
当两个流体的温度不同时，热量将从高温流体传递到低温流体，使两个流体的温度逐渐接近。
全热交换器的热力学分析全热交换器的热力学性能主要由热传导和热阻两个参数决定。
热传导系数表示了热量在全热交换器中的传递速度，热阻则反映了热量传递的难易程度。
优化全热交换器的热力学性能能够提高能量转换效率和节能效果。
热传导热传导是指热量通过物质的传递过程。
全热交换器中，热传导率表示了热量在板式热交换器中的传播速度。
提高热传导率可以加快热交换过程，提高能量转换效率。
热阻热阻是指热量传递的阻力。
全热交换器中，热阻主要由热传导的阻力和流体的对流阻力组成。
减小热阻可以增加热量传递的效率，提高热力学性能。
全热交换器的应用全热交换器广泛应用于许多领域，特别是工业生产和生活中的能量转换和热力学调节。
工业生产在许多工业生产过程中，需要通过热交换来调节流体的温度。
全热交换器可以有效地进行热量传递，使得流体的温度能够达到所需的目标，并保持稳定。
生活应用在生活中，全热交换器也有广泛的应用。
热交换器的工作原理化学
热交换器的工作原理化学
热交换器是一种用于传递热量的设备，通常用于加热、冷却或回收能量。
它的工作原理基于热传导和流体流动。
热交换器通常由两个相邻但不相互混合的流体流经的多个管道组成。
其中一个流体流经内部管道，被称为"工作流体"，而另
一个流体流经外部管道，被称为"传热流体"。
两个流体之间通
过壁面进行热量传递。
在热交换器内，传热流体通过外部管道流动，将热量传递给工作流体。
这发生在两个流体之间的壁面接触区域。
热量通过壁面传导，从传热流体传递到工作流体。
热交换器的设计目的是最大限度地增加壁面接触区域，以提高热量传递效率。
常见的设计有管壳式热交换器和板式热交换器。
管壳式热交换器由外部壳体、内部管道和密封件组成，传热流体流经外部管道，工作流体流经内部管道。
板式热交换器则由多个平行排列的金属板组成，传热流体和工作流体通过板间隙流动。
除了传热流体和工作流体的流动外，热交换器也可以利用传热流体和工作流体之间的对流效应来增加热量传递。
这通常通过使流体在管道内产生湍流来实现。
湍流可以增加壁面接触区域，并提供更多的热传导路径，从而提高热量传递效率。
总体而言，热交换器通过使两个流体流经相邻管道并通过壁面
进行热量传递来工作。
这种方式可以实现高效的热量传递，广泛应用于许多工业和商业领域。
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1.2.1 流体的温度分布
t1 冷凝
t1 冷凝
t2 沸腾
t2′
a：两种流体都有相变
t1′
t1′
放热
t1″
t2 沸腾
t2′
c：一种流体有相变
t2″
吸热
b：一种流体有相变
放热
t1″
吸热
t2″
d：顺流，无相变
t1′
t1′ 过热蒸汽冷却
放热
冷凝
t2″
t1″ t2″
过冷
t1″
吸热
t2′
吸热
t2′
e ：逆流，无相变
Δm t算 , 术Δm ta2 xΔm tin
当 Δm tax Δm ti n2时，两者的差别小于4％；
当 Δm taxΔm tin1.时7，两者的差别小于2.3％。
1.2.3 其它流动方式下的平均温差 实际换热器一般处于顺流和逆流之间， 更多的是多流程、错流的复杂流动。
(a) 两种流体不混合
(b) 一种流体混合，另一种不混合
热流体
而是轮流与壁面接触。当与热
流体接触，蓄热体接受热量，温
度升高；与冷流体接触，将热量 传给冷流体，蓄热体温度下降，
热流体
冷流体
达到换热目的。 特点：结构简单，可耐高温，
蓄热式换热器示意图
体积庞大，不能完全避免两种流
体的混和。
适于高温气体热量的回收或冷
却。如回转式空气预热器。
按材料分：
1. 金属材料换热器 常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、
热交换器原理与设计
（第5版） 史美中 王中铮
按热量传递方式分：
1. 间壁式换热器（表面式换热器、 t1
间接式换热器） 冷、热流体被固体壁面隔开， 互不接触，热量由热流体通过
热Q
流 体
tw1
壁面传递给冷流体。
形式多样，应用广泛。
适于冷、热流体不允许混和的场合。
如各种管壳式、板式结构的换热器。
Q
冷 流 tw2 体 t2
1.1 热计算基本方程
1. 传热方程：
Q = k·F·Δtm
F
Q = 0 k·Δt·dF
2.
热 Q M 1 (1 ' ii" 1) M 2 (" 2 ii' 2)
平
衡 Q 1 M 1 C 1 (" 1t t' 1) M 1 C 1 Δ 1 t
方 程
Q 2 M 2 C 2 (" 2t t' 2) M 2 C 2 Δ 2 t
热容量： W = M·C (W/℃) Q = W1 ·Δt1 =W2 ·Δt2
W 1 Δt 2 W 2 Δt 1
平行流：顺流和逆流
Hot fluid Cold fluid
Hot fluid Cold fluid
t
t’
t1 (hot) t”
t2 (cold) x
顺流
t
t’
t1
t”
t2 x
逆流
1.2 平均温差
2. 混合式换热器 (直接接触式) 冷、热流体直接接触，相互 混合传递热量。
特点：结构简单，传热效率高。 适于冷、热流体允许混合的场合。 如冷却塔、喷射式等。
热流体 冷流体
3. 蓄热式换热器(回流式换热器、 蓄热器) 借助于热容量较大的固体蓄热
体，将热量由热流体传给冷流体。
有固体壁面，两流体并非同时， 冷流体
f ：一种流体有相变
t1′
放热
t2″ 过热
t1′ t1″ t2″
沸腾 吸热 t2′
部分冷凝
t1″
吸热
t2′
g ：一种流体有相变
h：可凝蒸气和非凝结性 气体混合物的冷凝
1.2.2 顺流、逆流下的平均温差
Hale Waihona Puke ΔxtΔteμkxF当 Fx = F 时，Δtx =Δt"
Δ"tΔteμkF
μ 1 1 W1 W2
以间壁式换热器为基础介绍换热器的热（力）计算， 其他形式的换热器计算方法相同。
设计性计算 设计新换热器，确定其面积。但同样大小的传热 面积可采用不同的构造尺寸，而不同的构造尺寸 会影响换热系数，故一般与结构计算交叉进行。
校核性计算 针对现有换热器，确定流体的进出口温度。了解 其在非设计工况下的性能变化，判断其是否能满 足新的工艺要求。
铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热 系数大，故此类换热器的传热效率高。 2. 非金属材料换热器
常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。 因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的 传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。
按传热面形状和结构分
1. 管式换热器 通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管
结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、 套管式换热器、翅片式换热器等。 2. 板式换热器
图1.4 错流热交换器
板式
板翅式
管 翅 式
对这种复杂流动，数学推导将非常复杂。 可以在纯逆流的对数平均温差基础上进行 修正，以获得其它流动方式的平均温差。
Δtm = Δtl m,c
系数 称为温差修正系数，它表明流动方
式接近逆流的程度。 Δtl m,c 是给定冷、热流体的进出口温度布 置成逆流时的平均温差。
关于： =f (P、R)
（1）定义无量纲参数 P 和 R
P
t2 t2 t1 t2
冷流体温升
两流体进口温差P’
=
P
·
R
R
t1 t2
t1 t2
热流体温降 冷流体温升
R’ = 1/R
（2）P的物理意义：冷流体的实际温升与理论所
能达到的最大温升之比（< 1） → 温度效率
（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比。
通过板面进行传热的换热器。按传热板的结 构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式等。 3. 特殊形式换热器
根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的 换热器。如回转式、热管式换热器等。
内部构造
管壳式换热器的外形
管壳式换热器端部流程安排
多流程焊接式换热器
1 热交换器热计算基本原理
热(力)计算是换热器设计的基础
+：顺流 -：逆流
顺流与逆流的区别：
顺流： Δ t t1 t2 Δ t t1 t2
逆流：Δ t t1 t2 Δ t t1 t2
将对数平均温差 写成统一形式 (顺/逆流都适用)
Δtm
Δtmax Δtmin ln Δtmax
Δtmin
算术平均温差
平均温差另一种更为简单的形式是 算术平均温差，即：
R t1 t1 W2 t2 t2 W1
1) 热流体在管外为一个流程， 冷流体在管内先逆后顺两个
对顺、逆流的传热温差分析，作如下假设： 1. 冷热流体的质量流量和比热是常数； 2. 传热系数是常数； 3. 热交换器没有热损失； 4. 换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计； 5. 同种流体从进口到出口既无相变也无单相
对流换热。 要计算沿整个换热面的平均温差，首先需要 知道温差随换热面的变化，即 Δtx= f(Fx)，然后 再沿整个换热面积进行平均。